Hővezeték

A hőcső olyan hőcserélő, amely a közeg elpárologtatásának entalpiáját felhasználva nagy hőáram -sűrűséget tesz lehetővé . Ily módon nagy mennyiségű hő szállítható kis keresztmetszeti területen.

Kétféle hőcső különböztethető meg: a hőcső és a kétfázisú termoszifon . Az alapvető működési elv mindkét kivitel esetében ugyanaz; a különbség abban rejlik, hogy a gáznemű munkaközeg visszaáramlik a párologtatóba, azaz. H. arra a pontra, ahol a hőt alkalmazzák. A visszaszállítás mindkét kivitelben passzívan történik, ezért segédeszközök, például keringető szivattyú nélkül .

A hőcső hőállósága üzemi hőmérsékleten lényegesen alacsonyabb, mint a fémeké. A hőcsövek viselkedése tehát nagyon közel áll az izoterm állapotváltozáshoz. A hőmérséklet szinte állandó a hőcső hosszában. Ugyanazzal az átviteli kapacitással lényegesen könnyebb kivitel lehetséges, mint a hagyományos hőcserélőkkel azonos működési feltételek mellett. A hőcső munkaközegének gondos kiválasztásával néhány Kelvin és kb. 3000 Kelvin közötti üzemi hőmérséklet érhető el.

A hőcső vázlatos metszete

A hőcső energiaszállítási képessége nagymértékben függ a munkaközeg fajlagos elpárologtatási entalpiájától (kJ / mol vagy kJ / kg), és nem az edény falának vagy munkaközegének hővezető képességétől . A hatékonyság érdekében a hőcsövet általában közvetlenül a forró végénél, és közvetlenül a munkaközeg forráspontja alatt működtetik a hideg végén .

Funkció és megkülönböztetés

A termoszifon működési elve.

Keresztmetszet egy hőcsövön keresztül. A kapilláris hatást egy behelyezett réz drótháló generálja.

Felépítése és működési elve

Heat csöveket általában hosszúkás fém hajók , hogy tartalmaznak egy hermetikusan lezárt térfogatot. Meg van töltve egy működő közeggel (például vízzel vagy ammóniával), amely folyékony halmazállapotban kis mértékben, gázhalmazállapotban pedig nagy mértékben kitölti a térfogatot.

Az edény azon részét, amely az energia felszívódását szolgálja, elpárologtatónak, az energiát felszabadító kondenzátornak nevezzük . A párologtató lehet az egyik végén vagy a közepén.

• A hőbevitel növeli az edény és a munkaközeg hőmérsékletét, amíg el nem éri a munkaközeg forráspontját ; onnan kezd elpárologni a munkaközeg ; a hőmérséklet már nem emelkedik; Ehelyett az összes energiát a párolgási entalpiává alakítják át.
• Ennek eredményeképpen a hőcsőben a nyomás helyileg a folyadékszint fölé emelkedik, ami alacsony nyomásgradienshez vezet a hőcsőben. A keletkező gőz elkezdi elosztani magát a teljes rendelkezésre álló térfogatban, azaz. H. ott folyik, ahol a nyomás alacsonyabb; Olyan helyeken kondenzálódik , ahol hőmérséklete a munkaközeg forráspontja alá esik . Ehhez a gőznek energiát kell leadnia az edénynek és az edényt a környezetnek. Ez a legerősebben ott történik, ahol a kondenzátor található, ahol aktív hűtés történhet.
• A hőmérséklet már nem csökken, amíg a páralecsapódás teljes entalpiája ki nem kerül a környezetbe.
• A munkaközeg folyékony része gravitáció ( termoszifon ) vagy kapilláris erők ( hőcső ) hatására visszatér a párologtatóba. Annak érdekében, hogy ez utóbbi működjön, ott a folyékony állapotban lévő munkaközeg arányának alacsonyabbnak kell lennie.

Példa kapilláris áramlásra téglában arra az oldalra, ahol kevesebb a folyadék (itt a gravitációval szemben felfelé). A hőcsőben a hőforrás felül lenne, ahol kevés a folyadék, alul pedig sok a folyadék, mert a lehűlés miatt páralecsapódás történik ott.

A gőz a hűtési zónába áramlik, a páralecsapódás film áramlik / folyik / kúszik vissza. A hajtóerő a tapadás ereje , a hatást a kapilláris alatt írják le . Lásd a szemközti képet.

Mivel a munkaközeg gőze és folyadéka ugyanabban a helyiségben van, a rendszer a nedves gőztérben található . Ennek eredményeként pontosan meghatározott hőmérséklet van a hőcsőben egy bizonyos nyomáson. Mivel a hőcsövek nyomáskülönbségei általában nagyon kicsik, általában néhány Pascal , a párologtató és a kondenzátor közötti hőmérsékletkülönbség is kicsi, és legfeljebb néhány Kelvin . A hőcső ezért nagyon alacsony hőellenállással rendelkezik . A párologtató és a kondenzátor közötti terület gyakorlatilag izoterm .

Mivel a hőátadás közvetve a párolgási vagy kondenzációs entalpia anyaghoz kötött szállításán keresztül történik, a hőcső alkalmazási területe az olvadási hőmérséklet és a munkafolyadék kritikus pontjának hőmérséklete közötti tartományra korlátozódik . A munkaközegre ható összes erő befolyásolja a tényleges hőátadási teljesítményt is. A gravitáció kiegészítheti vagy részben megszüntetheti a hőcsövekben lévő kapilláris erőket. A centrifugális erő hőcsövekként kialakított forgó üreges tengelyekben is működik .

Megkülönböztetés

Gravitációs meghajtású hőcsöveknél ( kétfázisú termoszifon vagy gravitációs hőcsövek ) a közeg a gravitáció hatására köröz . Ennek eredményeként a hőhordozó automatikusan visszaáramlik az elpárologtatóba. A hőt gyakran csak a tartályon keresztül , azaz a folyadékszint magasságáig szállítják. Ez a visszaáramló (folyékony) közeg filmképződésétől függ. Ha a termoszifonok sík dőlésszögben vannak beállítva, akkor kiszáradhatnak, ha a kondenzált közeg nem áramlik vissza elég gyorsan.

A hőcsövek a kanóc elvét használva vezetik vissza a kondenzált folyadékot az elpárologtatóba. A folyamat tehát független az állásponttól; A hőcsövek súlytalanság alatt is működnek . A termoszifonokhoz képest alig hajlamosak kiszáradni, mivel a folyadék áramlása a kapillárison keresztül jelentősen javul, ami nagyobb átvihető hőáramhoz vezet. A kapilláris szerkezet azt is biztosítja, hogy a termoszifonnal ellentétben a hőt bárhol és bármilyen magasságban el lehessen juttatni. Hőcsöveket használnak mindenhol, ahol bármilyen irányban nagy hőáram -sűrűségre van szükség.

Működő média

Néhány anyag párolgási hőmérséklete (nyomásfüggő) a hőcsövekben

A munkaközeg hőcsőben való működőképessége függ mind a termodinamikai tulajdonságoktól, például a párolgási entalpiától, mind a folyadéktulajdonságoktól, mint a kinematikai viszkozitás és a felületi feszültség . A felületi feszültségnek és a párolgási entalpiának a lehető legnagyobbnak és a viszkozitásnak a lehető legkisebbnek kell lennie. Ez azt jelenti, hogy meg lehet határozni a működési ponthoz optimális hőátadó közeget. ${\ displaystyle \ Delta h_ {v}}$ ${\ displaystyle \ nu _ {l}}$ ${\ displaystyle \ sigma}$

Az érdemszám ( érdemszám , Me ) mint konkrét teljesítménymennyiség a következőképpen számítható ki:

${\ displaystyle Me = {\ frac {\ sigma \ cdot \ Delta h_ {v}} {\ nu _ {l}}}}$

Egysége tehát watt négyzetméterenként; De Me nem felel meg valódi hőáram -sűrűségnek .

A érdeme száma olyan nagynak kell lennie, amennyire csak lehetséges a megadott működési tartomány (hőmérséklet, hőáramsűrűség) a hőcső, úgy, hogy a hőátadás a A hőcső a lehető legnagyobb. Meg kell jegyezni, hogy ezek a tulajdonságok a hőmérséklettől függenek. Általában a Me több lehetséges hőhordozóra van meghatározva, és ezután döntési segédeszközként szolgál a megfelelő közeg kiválasztásához.

Nagyon alacsony hőmérsékleten szobahőmérsékleten gáznemű közegeket használnak. Gázok, például hélium és nitrogén használhatók az abszolút nulla (0 K) közeli hőmérséklettartomány lefedésére körülbelül -20 ° C -ig. Tipikus hűtőközegeket , például ammóniát vagy keverékeket is használnak. 0 ° C -tól a víz hőátadó közegként használható. A hőcső lehetséges nyomásállóságától (gőznyomás) függően a víz 340 ° C -ig elegendő. (Lásd a víz kritikus pontját 374 ° C-on.) 400 ° C-os hőmérsékletről magas hőmérsékletű hőcsövekről beszélünk. Az alkálifémek, például a nátrium és a lítium a legjobb hőhordozók itt az érdemszám szerint. A tartomány felső határát elsősorban a hőcsőhöz használt anyag szilárdsága korlátozza.

anyagok

A külső körülményektől függően különböző anyagokat használnak. A hőhordozó anyaghoz viszonyított viselkedése itt is szerepet játszik. Például a nátrium feloldja az alkatrészeket az acélokból, ami hosszú időn keresztül a hőcső meghibásodásához vezetne.

Hővezeték

Az alacsonyabb hőmérsékleti tartományokban többnyire rézt használnak, mert könnyen formázható és magas a hővezető képessége . A magas hőmérsékletű hőcsövek esetében elsősorban hőálló acélokat, például 1.4841-et vagy nikkel alapú ötvözeteket használnak. A kanóc alakja nagymértékben függ a működési ponttól. Alacsony áramlási ellenállású kanócot használnak mindenhol, ahol a hőcsövet a kapilláris erő határán működtetik. A barázdált kapilláris szerkezetek jellemzőek erre. Magas hőmérsékletű hőcsövek esetében általában szoros szálú dróthálót használnak a hőhordozó nagy sűrűsége miatt. Még egyszerűbb típusokat is használnak a réz-víz hőcsövekben, hasonlóan az elektromos kábelek rézvezetékeihez, főként olcsó gyártásuk miatt.

Termoszifon

Az építőiparban a termoszifonok általában hagyományos szerkezeti acélokból készülnek.

Történelem és fejlődés

Az első hőcsövet 1944 -ben szabadalmaztatták. Ezen a ponton azonban még mindig nem volt hasznos alkalmazás. Ezt a gondolatot csak a hatvanas években fejlesztették ki határozottan. Még ma is hőcsöveket használnak a műholdak nap felé néző oldalának hűtésére. Az első magas hőmérsékletű hőcsövet 1964-ben mutatták be. Azóta jelentősen kibővültek a fizikai leírások, például egyes hőhordozók, kapilláris szerkezetek tulajdonságai és a hőcsövek elemzési leírása. A kutatások még ma is folynak a hőcsöveken, mivel ezek olcsó és rendkívül hatékony hőátadási eszközt jelentenek.

használat

A rugalmas kialakítás és a tulajdonságok változékonysága miatt a hőcsöveket ma sok területen használják. Az elmúlt néhány évben egyre inkább felfigyelt rájuk a nagyközönség, mivel számítógépekben és notebookokban használták őket . A notebookok teljes magassága jelentősen csökkenthető hőcsövek használatával, mivel a hőcsöveken lévő tényleges hulladékhő -konvektorok közvetlenül a külső felületekre rögzíthetők. A megnövekedett hőátadás lehetővé tette az erősebb grafikus processzorok integrálását.

Sokkal korábban, az 1960 -as években hőcsöveket alkalmaztak az űrtechnikában. Különösen a műholdak esetében a hőcsövek használata minimalizálja a hőmérséklet -gradienst az oldal és a naptól távol eső oldal között.

Számítógépes technológia

Hőcső a processzor és a ventilátor között egy notebookban

Hagyományos hűtőbordák hűtésre mikroprocesszorok alapulnak tisztán erőltetett konvekció a hűtőbordák . A lehető legjobb hőátadás elérése érdekében a lélegeztetőgépnek vagy a lélegeztetőgépnek a lehető legközelebb kell ülnie a bordákhoz a bordák korlátozott hővezető képessége miatt. A fűtött levegő az alaplap irányába áramlik, és növeli a szomszédos alkatrészek felületi hőmérsékletét. Ezenkívül általában több hely van távolabb az alaplaptól, ami azt jelenti, hogy olcsóbb forma használható, ami azt jelenti, hogy nagyobb felület érhető el a hűtőborda tömegének növelése nélkül. Továbbá a házban a hőelvezetés nagyon nem irányított. Másrészt a hőcsöveket használó hűtők nem függnek a helyi közelségtől, mert funkciójuk miatt lehetővé teszik a hőelnyelés és a teljesítmény leválasztását. Ezért célzottan leadhatja a hulladékhőt a házventilátorok légáramába. A gyakran alternatívaként használt vízhűtéshez képest a hőcsövek nem igényelnek keringtető szivattyút, ami további zajkeltéshez vezet.

Építkezés

Alaszkai csővezeték hagyományos szerkezeti acélból készült hőcsövekkel. Megakadályozza a felszín felengedését. A cölöpökön láthatók a hűtőbordák.

Hőcsöveket használtak az 1970-es évek óta, hogy stabilizálják az örök-fagyot a transz-alaszkai csővezeték alatt . A hagyományos konstrukcióknál két acél cölöpöt engednek a talajba, amelyek felveszik a csővezeték terhelését . A permafrost területén azonban ez nem könnyű, mert a 40–80 ° C -os meleg olaj a cölöpökön keresztül történő hővezetés révén helyben felolvasztja a talajt. A cölöpök elsüllyednének, és a csővezeték deformálódna. Ha a levegő hőmérséklete kellően alacsony, ami leginkább a permafrost területén fordul elő, akkor ezt a problémát hőcsövek segítségével meg lehet kerülni. A hőt nem a talajba vezetik, hanem a hőcsövekhez rögzített hűtőbordákon keresztül engedik a környezeti levegőbe. Ezenkívül a permafrost talajból hőt vonnak ki termoszifonok, ami azt jelenti, hogy fagyott és így stabil marad. Ezt a technológiát használják a Lhasa vasúton is, hogy stabilizálják a töltést a permafrost talajon.

A munkaközeg önálló keringése a hőcsövekben és ezáltal a segédenergia megszüntetése a geotermikus energiafelhasználás területén történő fokozott felhasználáshoz vezet. Hagyományos geotermikus szondákban a földvezeték z mélyedésén keresztül z. B. vizet szivattyúznak, és a kapott geotermikus energiát hőszivattyúba továbbítják . A szén -dioxid szondáknál a kettős vezeték és a szivattyú energiája a keringéshez kimarad.

Ezeket manapság is sikeresen alkalmazzák olyan területeken, ahol a hőcső -technológia közvetlenül nem gyanítható, például a kiürített csőgyűjtőkben . Hővisszanyerő rendszerekben vagy egyszerű hőcserélőkben is megtalálhatók .

Magas hőmérsékletű hőcsöveket használnak az alloterm biomassza gázosítására . Itt szinte veszteség nélkül továbbítják a hőt a 850 ° C tartományban. A kifinomult koncepciónak köszönhetően a hőcsövek lehetővé teszik a szilárd biomassza, például faforgács közvetlen átalakítását nagy energiájú termékgázzá.

Gépjármű

A folyamatos fejlődés ellenére a modern benzinmotoroknál ritkán lépik túl a 37% -os mechanikai hatékonyságot . Más energiák hőveszteségként oszlanak el a hűtővíz és a kipufogógáz hője révén. A nagy igénybevételnek kitett kipufogószelepek hűtésére néhányat üregesre készítenek, másokat nátriummal töltenek meg. Működés közben a nátrium megolvad, és a szelep mozgása elvezeti a hőt a különösen kritikus szeleptárcsától a szelepszárig. Csak így lehetett biztonságossá tenni az erőteljes, léghűtéses nagy repülőgép-hajtóműveket.

Szabályozható hőcsövek

Mivel a hőcsövek kis súlyuk és kis térfogatuk mellett akár 1000 -szer nagyobb hővezető képességgel rendelkeznek , mint pl. B. rézrúd , a hő célzottan szállítható járművekben egyszerű módon. Az egyetlen hátrány az irányíthatóság problémája lenne, vagyis az a képesség, hogy a hővezető képességet tetszés szerint változtassuk, be- vagy kikapcsoljuk. A hőcsövek vezérlésére két alapelv alkalmas:

Szabályozható hőátadás két összekapcsolt hőcsövön keresztül, állítható fémtesttel

A hőcsövek külső hőszabályozása

Két hőcső, egy -egy a hőforrásnál és egy a hűtőbordánál , párhuzamosan fut egymással a végeiken kis távolságban, anélkül, hogy megérintenék egymást. Ezen a területen egy hőt jól vezető anyagból (pl. Réz vagy alumínium ) készült test (csatoló) veszi körül , két lyukkal, amelyek a lehető legpontosabban vezetik a hőcsöveket. A teljes rendszer hővezető képessége könnyen beállítható a csatlakozó be- vagy kihúzásával, mivel a hőcsövek és a csatlakozó közötti érintkezési terület lineárisan függ a behelyezés mélységétől. A külső motorral ellátott tengelykapcsoló könnyen hozzáférhető helyre helyezhető át, feltéve, hogy a hosszabb hőcsövek (nagyon alacsony) kiegészítő hőellenállása lehetővé teszi ezt a kitérőt.

A hőcsövek belső hőszabályozása

A hőcsövek belső szabályozása szelepen keresztül. A bal oldalon aktiválva van, a jobb oldalon nem.

Maga a hőcső belső hőátadása is szabályozható, a hőcsőben lévő szeleppel vagy fojtószeleppel vezérlőelemként. A fojtószelep, amelyet forgathatóan szerelnek fel és kívülről egy kis motor vezérel, megváltoztathatja a hőátadó közeg áramlását a hőforrás és a hűtőborda között. Alternatív megoldásként a hőcső belsejében elhelyezkedő kisméretű mágnesszelep , amelyet egy mágneses golyó és egy visszatérő rugó valósít meg, lehetővé teszi a hőcsövön keresztül történő hőáram nagymértékű leállítását vagy újbóli felszabadítását.

A szelephez képest a fojtószelep nagy előnye, hogy a hővezető képesség a beállítási szögtől függően folyamatosan szabályozható. A szelep viszont csak a hőcső be- vagy kikapcsolását teszi lehetővé, mert csak az elektromágneses vezérlés miatt nyitható vagy zárható. A fojtószelep hátránya viszont a vezérlőtengelye, amelyet kifelé kell vezetni , és amely megnehezíti a hermetikus tömítés elérését. Ez különösen a gépjárművekben nemkívánatos rövid karbantartási intervallumokhoz vezethet.

Szabályozható hőcsövek használata járművekben

Egy autóban a felesleges hőt szinte minden pontra el lehet juttatni a hőcső technológia segítségével. A fő hőforrás a belső égésű motor kipufogógáz -vezetéke. Hatalmas hőteljesítmény áll rendelkezésre itt közvetlenül a motor beindulása után. (A kipufogógáz hőmérséklete több száz ° C.) A hőt a belső vagy külső fűtött felületekről , a teljesítményelektronikából vagy a hűtő- vagy légkondicionálókörből is ki lehet használni. Ezután használható beltéri klímaberendezéshez, ülésfűtéshez, hűtővízhez és motorolaj -fűtéshez, vagy akkumulátorok gyorsabb üzemi hőmérsékletének eléréséhez. A szállított hő szabályozhatósága itt mindenütt nagy jelentőséggel bír, ami már a kényelmi területen is egyértelmű.

Űrutazás

Keresztmetszet két szál kompozit anyaggal tarkított hőcsövön keresztül. Bal: barázdaszerű mélyedésekbe ágyazva. Jobb: közvetlen integráció

A hőcsövek gyakran erős hőingadozásoknak vannak kitéve, ami azonnal az anyag térfogatának ingadozását eredményezi. Ha a hőcső lényegesen eltérő hőtágulási együtthatójú anyagon (röviden CTE) van, mechanikai feszültségek lépnek fel, amelyek károsíthatják a hőcsövet vagy annak külső hőátadó felületeit. Ez a tény különösen problematikus az űrtechnológia óriási hőingadozásai miatt . A műholdak Nap felé néző oldala és a Naptól távol eső oldala közötti hőmérsékletkülönbség helyenként 130 Kelvin lehet . Itt a szénszálerősítésű műanyag (CFRP) hosszú évek óta alapanyagként érvényesül.

A hőcsövek azonban elsősorban nem CFRP -ből készülnek, hanem z. B. alumíniumból . Ennek az elemnek az előnyei többek között a kis súly, a kapilláris szerkezetek gyártására való alkalmasság, az optimális hővezető képesség és a leggyakrabban használt hővezető közegekkel szembeni kémiai ellenállása. A hőtágulási együttható a két anyag különböznek, azonban nagyon erősen: hogy CFRP, 1 · 10 ^-6  K ^-1 legfeljebb 3 · 10 ^-6  K ^{-1, jelentése} csak körülbelül 1/24 1/8 az alumíniumé (24 · 10 ^{- 6}  K ⁻¹ ).

Az alumíniumból és szálas kompozit anyagból készült kompozit anyagok egy lehetséges megoldást nyújtanak . Az alumínium hőcsövet különböző módon kombinálják szálas kompozit anyaggal, amelynek CTE -értéke nagyon alacsony vagy akár negatív. A gyakorlatban vagy üregekbe vagy barázdaszerű mélyedésekbe van ágyazva, egyfajta ketrecként az alumíniumtömb köré csavarva, vagy ezzel az alumínium behatol, azaz közvetlenül integrálva van.

Ezzel a technológiával a teljes rendszer hőtágulási együtthatója körülbelül 5 · ^10–6  K − ¹ (a kompozit anyag CTE ellensúlyozza az alumíniumét), ami miatt a hőcső -technológia alkalmas az űrutazásra is.

Fizikai tervezés

A hőcső átvihető teljesítményének kiszámítására szolgáló egyenletek általában olyan együtthatókat tartalmaznak, amelyeket a kísérletileg kapott adatok alapján kell kiválasztani. A hőcső sajátos tulajdonságai, mint például a kapilláris szerkezet típusa, a hőhordozó közeg típusa, a rendelkezésre álló gőztér, az üzemi hőmérséklet stb. Kellően jól megválasztott egyenletekkel és együtthatókkal a modell és a kísérlet közötti hiba szűk helyen tartható. A hőcső tervezésének első lépései tehát a tervezés megválasztása és a megfelelő numerikus hőcső -modell létrehozása az átadható teljesítmény szimulálására.

A létrehozott modellt kísérleti ellenőrzéssel kalibrálják, vagy meghatározzák a valós határokat. Ha a vizsgált hőcső nem éri el a kívánt teljesítményt, akkor változtatásokat (pl. A kapilláris szerkezet megváltoztatását) hajtanak végre a teljesítmény növelése céljából. Tisztán kísérleti eljárás esetén számos, előre nem meghatározható kísérletre van szükség.

Kis és közepes teljesítményű (<1 kW) hőcsövek esetén az alapvető egyenletek lineárisak, vagy egy fejlesztési pont körül linearizálhatók . Ezért numerikus optimalizálási módszereket (pl.) Használnak a tervezési erőfeszítések korlátozására. Az ilyen eljárások csökkentik a kalibrációs teszteken végzett kísérletek számát.

A tervezés során különös figyelmet fordítanak a működési korlátokra. Ezeket a fizikai határfeltételeket a hőhordozó paramétereiből nyerjük. Ezért elengedhetetlen a használt hőhordozó közeg pontos ismerete. A működés akkor lehetséges, ha a működési pont (hőmérséklet, hőáram) ezen határokon belül van.

Általában a következő korlátokat veszik figyelembe:

Viszkozitási határ

Korlátozza a hőáramlás sűrűségét az olvadáspont feletti üzemi hőmérsékleten. A gőzben fellépő viszkozitási erők jelentősen rontják az áramlást.

A hangsebesség korlátja

A hőáramlás sűrűsége csak addig növelhető, amíg a nyomáskülönbség által létrehozott gőzáram el nem éri a hangsebességet .

Interakciós korlát

Nagy hőáram -sűrűségnél a folyadékot a gőz magával ragadja, és a kapilláris részleges kiszáradása a folyadékáramlás megszakításához vezet.

Kapilláris erőhatár

A kapilláris erőhatárt akkor érik el, ha a folyékony hőhordozó közeg áramlási vesztesége nagyobb, mint a meglévő kapilláris nyomás.

Forráshatár

A folyadék áramlása korlátozott vagy jön a holtpontról a következtében gócot forráspontja a kapilláris.

A hőcsövek optimalizálása

A hőállóság csökkentése

Az anyagszerkezetek optimalizálása mellett stb. A hatékonyság a hőcső is jelentősen nőtt módosításával folyadékok jár hőátadó médiában. A Danshui (Tajvan) Tamkang Egyetem kutatói kifejlesztettek egy vizes oldatot , amely bizonyos mennyiségű apró nanorészecskét tartalmaz, és összehasonlították tulajdonságait a hőátadási viselkedés tekintetében a hagyományos hőcsőfolyadékokkal.

Világossá vált, hogy ezt az oldatot hőátadó közegként használva egy hőcsőben 10–80% -os hőállóság javulást, azaz minimalizálást eredményez. Ennek a folyadéknak a hatékonysága nemcsak a hőcső típusától és belső szerkezetétől függ, hanem az oldat koncentrációjától és a nanorészecskék méretétől is. Különböző tesztek kimutatták, hogy minél kisebb a nanorészecskék átmérője és minél kisebb a koncentrációjuk a vizes oldatban, annál nagyobb a hőcső hőállósága.

A 35 nm -es ezüst részecskék nanorészecskékként szolgálnak . Az oldatban lévő részecskék mennyisége literenként 1 mg és 100 mg között változik.

Nem nedvesíthető porózus szerkezet

A hőcső kondenzvízcsatornájának (kanóc) és gőzcsatornájának ábrázolása

A hőcső-technológia jelentős előrelépést ért el a kilencvenes években a kondenzvíz és a gőzáram biztonságos leválasztásával, az úgynevezett nem nedvesíthető porózus szerkezet használatával , ami a belső átviteli kapacitás jelentős növekedéséhez vezetett. A probléma addig az volt, hogy a visszatérő kondenzátum lelassította az ellentétes gőzáramlást az ütközések során, és így negatív hatással volt a hőátadásra.

Ez a nem-nedvesíthető porózus szerkezetű, használjuk a gőz csatornája a hőcső, az a tulajdonsága, alacsonyabb felületi feszültség , mint a hő-szállító közeg önmagában (például kondenzátum ). Így a porózus szerkezetbe csak a hőátadó közeg juthat gáznemű állapotban, és minden kondenzátum kívül marad.

A hőmérséklet közlekedési hasonló, mint a fent említett, a hő áramkör által gőz és kondenzátum csatorna helyett. A gőzcsatorna és a kondenzvízcsatorna közötti nem nedvesíthető porózus szerkezet határozza meg a párolgási terület és a hőcső kondenzációs területe közötti határt.

A kondenzátum külső hőellátáson keresztül elpárolog, és most gázként halad át a fentieken. A hőcső belsejében lévő szerkezet, a gőzcsatorna, amelyen keresztül eléri a kondenzációs területet. Ott egy hűtőbordán a válaszfal, ismét nedvesíthető porózus szerkezet formájában, képezi az átmeneti pontot a kondenzációs területre. A nyomás- vagy koncentrációgradiens miatt a gáz diffundál a kifelé, és érintkezik a hőcső külső falaival. Ekkor a hőenergia leadódik, és a gőz lecsapódik. A kondenzátum nagy felületi feszültsége miatt csak a kondenzvízcsatornán keresztül áramolhat vissza (kapilláris hatás), amelynek végén, a hőforrás helyén, a külső hőbevitel révén újra elindul a hőmérsékleti ciklus.

Nanostruktúrák alkalmazása

Kapilláris hatás a pórusméret függvényében

Egy amerikai kutatócsoport fejlődése 2008 -tól további növekedést jelent:

A nanotechnológia alkalmazásával a hőcsövek kapilláris szerkezetének előállításában a kapilláris hatás a megfelelő munkaközegre ismét jelentősen megnő. A szomszédos diagramon jól látható, hogy a kapilláris szerkezet pórusátmérőjének csökkenésével az elérhető munkafolyadék magassága meredeken növekszik. A közepes víz adja a legnagyobb sikert .

A munkaközegre gyakorolt ​​nagyobb gyorsító hatás mellett ez a technológia olyan terhet ró, hogy a folyadék a hőcsövön belül nagyon kicsi szerkezeteken keresztül szállítódik, ahogy azt a gyakorlatban is szeretnénk megvalósítani a lehető legnagyobb siker elérése érdekében. ismét lelassult, vagy akár teljesen megakadályozta, mert a pórusok túl kicsik lettek a behatoláshoz. Egy másik zavaró tényező az anyag nemkívánatos inhomogenitása (gyártással kapcsolatos), valamint a nagyon magas termelési költségek.

Hőcsövek túlmelegedés elleni védelme

Keresztmetszet fólia hőcsövön túlmelegedés elleni védelemmel

Fólia hőcsövön keresztmetszet normál üzemben

Fólia hőcsövön keresztmetszet túlmelegedés esetén. A keletkező üreg hőállóságot képez.

A hőcső külső köpenyének bizonyos szilárdsága általában hasznos, nemcsak a mechanikai sérülésektől való védelem érdekében, hanem azért is , hogy ellenálljon a légköri nyomás és a hőhordozó közeg által okozott belső nyomás közötti nyomáskülönbségeknek .

Problémák merülhetnek fel abban az esetben is, ha a hőcsövet túlzott hőmérsékletnek teszik ki, azaz ha a leadott hőenergia nagyobb, mint amit a kondenzációs területen (hűtőborda) újra ki lehet vezetni. Ez megengedhetetlenül magas belső nyomást eredményez, ami károsíthatja a külső burkolatot, sőt tönkreteheti a hőcsövet. Az egyik lehetséges megoldás a 2005 -ben szabadalmaztatott technológia, amely a rugalmas külső anyag révén megakadályozza a túlmelegedést.

Belülről épült egy ismert szerkezetből, amely két különböző pórusátmérőjű területből áll (gőz és kondenzátum csatorna). A középső területen a gáznemű közeget egy nagy pórusátmérőjű porózus anyagstruktúrán kell átvezetni, a külső területen pedig a kondenzátumot (a kapilláris hatás révén) egy kis pórusátmérőjű porózus szerkezeten keresztül kell vezetni. A valódi különbség a szokásos hőcsőhöz képest maga a külső burkolatban rejlik. Ez nem a szokásos módon merev anyagból áll, hanem két rugalmas és nagyon vékony fóliából, amelyek a végükön össze vannak kötve és a külső kapilláris szerkezeten fekszenek. . A belső és külső nyomás normál működés során úgy kompenzálja egymást, hogy a fóliák meghatározott távolságban egymással párhuzamosan helyezkednek el, és a külső porózus szerkezet a fóliákon keresztül közvetlenül érintkezik a hőforrással és a hűtőbordával .

Ha váratlanul magas nyomás keletkezik, akár annak a ténynek köszönhető, hogy több hőenergiát szállítanak, mint amennyit eltávolítanak, erők hatnak a hőcső külső bőrére, amely rugalmas tulajdonságai miatt kifelé nyomja. A kapott kamra gázhalmazállapotú hőhordozó közeggel töltődik fel. Ily módon elkerülhető a hőcső mechanikai károsodása. Ezenkívül ez a jelenség termikus ellenállást hoz létre a kondenzátumot hordozó kapilláris szerkezet és a külső burkolat között, mivel a kondenzátum és a hőforrás már nem érintkezik egymással, hanem a gáz választja el őket egymástól. A intenzitását a fűtési energia ható kondenzátumot, azaz az elnyelt hőenergiát, tehát csökkenteni, amely nem vonatkozik a leadott energia, mivel ez tárolja a gáz, amely még mindig érintkezik a külső bőrt.

Ennek a filmfedéllel ellátott technológiának egy másik plusz pontja a hőcső kisebb külső méretei - annak a ténynek köszönhető, hogy a masszív burkolat elmarad. A gyakorlatban biztosítani kell, hogy a hőcső jobban védett legyen a mechanikai behatásokkal szemben, mint más konstrukcióknál.

A munkaterület bővítése

A puffergáz zóna és a puffergázzal töltött hőcső munkaterületének ábrázolása

A hőcső munkapontja általában azon a hőmérsékleten van, amelyen a hőátadó közeg kondenzálódik vagy elpárolog . A hőcső lehetséges alkalmazási területei ebből a sajátos tulajdonságból adódnak, ezért a gyakorlatban a hőátadó közegek széles választékát használják munkaközegként. Itt gyakran különböző vegyszerek keverékeit használják, amelyeken keresztül a forráspont bármilyen hőmérsékletre változtatható.

Gyakran azonban több értelme van, akár azért, mert egyes anyagok nem kívánt kémiai reakcióba lépnek a használt hőcső anyagával, vagy nem utolsó sorban, költség miatt, hogy a kívánt keveréket úgy alakítsák ki, hogy az úgy működjön, mint hőátadó közeg sokféle hőmérsékleti tartományban. Ebből a célból célszerű a forráspontot tetszés szerint beállítani, ami a gyakorlatban puffergáz segítségével érhető el .

A munkatartomány ezen úgynevezett kiterjesztése az elemek forráspontjának nyomásfüggésének fizikai tulajdonságain alapul. A gyártási folyamat egy további lépést tartalmaz a hőcső hermetikus lezárása előtt :

A hőátadó közeggel való feltöltés és a felesleges gázok elszívása után meghatározott belső nyomást állítanak be úgy, hogy a hőcsövet további gázzal, úgynevezett puffergázzal töltik meg. Ez pufferzónát képez a hőcsőben, amelybe a munkaközeg nem tud behatolni. Ennek a puffergáznak a kiválasztásánál fontos kritériumnak kell lennie, hogy semmilyen körülmények között ne lépjen kémiai reakcióba a hőcsővel vagy a későbbi munkaterületen lévő hőszállító közeggel. Például, ha a munkaközeg a higany, egy inert puffer gáz, például argon vagy hélium lehet használni.

Ezzel a módszerrel beállítható a kívánt belső nyomás, amely a munkaközeg forráspontját és ezáltal a hőcső működési tartományát tetszés szerint változtatja.

Amellett, hogy ezzel a módszerrel különböző üzemi pontokat állíthat be, előnyös az is, ha a hőcsőben esetlegesen felmerülő szennyeződéseket a pufferzónába öblítik, és nem befolyásolják a további működést, mivel ez a kondenzvízen és a gőzcsatornán kívül van. . A hátrány azonban a pufferzóna által igényelt többletterület. Ennek eredményeként a hőcsövet nem lehet teljes hosszában hőátadásra használni.

Gyártás

A hőcső határfeltételeinek kidolgozása után ezeket is figyelembe kell venni a gyártás során. Lényeges jellemzője a forráspont vagy a közeg gőznyomása, mivel a hőcső csak e hőmérséklet elérésekor kezd működni. A forráspontot termodinamikailag a gőznyomáson keresztül lehet beállítani . A legtöbb esetben a lehető legalacsonyabb forráspontú hőmérsékletet célozzák. Például víz esetén ez lenne a hármaspont hőmérséklete . Ha megnézzük a kapcsolódó gőz asztal , világossá válik, hogy a víz esetében rendkívül alacsony nyomásra van szükség annak érdekében, hogy csökkentsék a forráspont hőmérséklete szoba hőmérsékleten, például .

Az egyik leggyakoribb módszer a hőcső mechanikus elszívása. A megfelelő szivattyú csatlakoztatva van, és egy bizonyos nyomás (vákuum) elérésekor a hőcső általában tisztán mechanikusan záródik.

Ez a folyamat összetett és költséges. Éppen ezért egy másik lehetőséget használnak, ha vákuumszivattyúval történő evakuálás helyett a hőcsövet magával a hőhordozó közeggel töltik meg . Ebből a célból egy töltőcsövet és egy hűtőcsövet rögzítenek a hőcsőre. A kívánt hőátadó közeget a töltőcsövön keresztül vezetik be a hőcsőbe. Ezen eljárás után a hőcsövet a másik végén felmelegítik, így elindul a szokásos hőciklus. Most a feltöltött közeg, amely kezdetben kondenzátumként van jelen , elpárologni kezd . Az ennek következtében felhalmozódó nyomás hatására a hőcsőben lévő közeg kitágul, és a hűtőcső miatt minden nemkívánatos gáz, azaz azok, amelyek nem kondenzálódnak, a töltőcsövön keresztül távoznak.

A hűtőcső célja ezen a ponton világossá válik: A hőátadó közeg, amely időközben gázként törekszik a töltőcső irányába, kondenzálódik a hűtésen keresztül és kondenzátumként visszakerül a hőforráshoz. a hőcső külső pórusszerkezetének kapilláris hatása . A fennmaradó gázok, azaz mindazok, amelyek nem kondenzálódnak, nem lépnek be a kapilláris szerkezetbe, hanem kifelé öblítik a belső nyomást.

A töltőcső akkor van légmentesen lezárva, ha az összes nem kondenzálódó gáz kiürült, és a levegő- és hőhordozó közeg álló korlátja közvetlenül a töltőcsövön található.

Mindenekelőtt a használatakor meg kell jegyezni, hogy a hőcsövek zárt térfogatúak. Ezzel az állapotváltozással ( izokorikus ) a hőbevitel közvetlenül a nyomásba kerül. A megengedett hőmérséklet túllépése gőzrobbanáshoz vezethet. Ez különösen fontos a további feldolgozás során, mivel a hőcsöveket jobb hővezető képességük miatt gyakran forrasztják a tényleges hűtőbordához. Sok hőcső tele van káros anyagokkal, ezért a hőcsöveket megfelelően ártalmatlanítani kell, és nem szabad kinyitni. A nyitás általában a funkcionalitás elvesztéséhez is vezet.

Lásd még

• Ellenáramú rétegű hőcserélő

web Linkek

• A hőcső alapjai (PDF fájl; 3 MB)
• Az érdemszám meghatározása és használata, angol

források

• Hűtőberendezés forgó anódhoz (centrifugális erő)
• Alloterm fluidizált ágyas gázosítás - lehetőségek a fluidizált ágyak hőbevitelének realizálására (gravitáció, hőcső; PDF fájl; 1001 kB)
• Adrian Bejan, Allan D. Kraus: Hőátadó kézikönyv . Wiley & Sons, Hoboken NJ 2003, ISBN 0-471-39015-1 .
• Stephan Kabelac (vörös): VDI Heat Atlas . Kiadja a Német Mérnökök Szövetsége, a VDI Society for Process Engineering and Chemical Engineering (GVC). 10., átdolgozott és bővített kiadás. Springer-Verlag, Berlin et al., 2006, ISBN 3-540-25503-6 .

Egyéni bizonyíték

1. ↑ M. Groll: A hőcsövek az energiatechnika összetevői. In: W. Fratzscher, K. Stephan (szerk.): A pazarló energia felhasználása: technikai, gazdasági és társadalmi vonatkozások. Akad.-Verlag, Berlin 1995, ISBN 3-05-501706-4 , 84. o. (Edoc.bbaw.de ; PDF; 3,1 MB).
2. ↑ ^{a b} W. M. Rohsenow: A hőátadás kézikönyve. Mcgraw-Hill Publ. Comp., 1998, ISBN 0-07-053555-8 .
3. ↑ ^{a b} A. Faghri: Hőcső -tudomány és technológia. Taylor és Francis, 1995, ISBN 1-56032-383-3 .
4. ↑ ^{a b c d e} P. Dunn: Hőcsövek. Pergamon Press, 1994.
5. ↑ RS Gaugler: Hőátadó eszköz. 2 350 348 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalom
6. ^ Trefethen L.: Folyadékok felületi feszültségpumpálásáról vagy a Candlewick lehetséges szerepéről az űrkutatásban. GE Tech. Információ, Ser. Nem. 615 D114, 1962. február.
7. ^ GM Grover, TP Cotter, GF Erikson: Nagyon magas hővezető képességű szerkezetek. In: J. Appl. Phys. 35, 1964, 1990. o.
8. ↑ Christopher E. Heuer: A hőcsövek alkalmazása a transz-alaszkai csővezetéken. 6/1979.
9. ^ A transz-alaszkai csővezeték passzív hűtőrendszer .
10. ↑ M. Schneider: Hőcsőlemezek modellezése és optimalizálása elektronikus áramkörök hűtésére. IKE, 2007.
11. ↑ ^{a b c d e f} Német Mérnökök Szövetsége VDI-Wärmeatlas Springer-Verlag, 2006.
12. ↑ Az ezüst nanofolyadék kísérleti vizsgálata a hőcső hőhatására .
13. ↑ A mikro / nano hőcső kanóc szerkezeteinek kísérleti vizsgálata ( Memento , 2012. május 30., az Internet Archívumban ) (PDF; 1,2 MB).
14. ↑ ^{a b c} Szabadalom: Lapos hőcső túlmelegedés elleni védelemmel
15. ↑ Higanyos hőcső kemence építése és tesztelése négyhullámú keveréshez a rezonátoron belül  (az oldal már nem érhető el , keresés a webarchívumban )@1@ 2Sablon: Toter Link / www.quantum.physik.uni-mainz.de